Une expérience au CERN confirme l'hypothèse d'un champ magnétique intergalactique omniprésent pour résoudre l'énigme des rayons gamma manquants

Une équipe internationale de chercheurs a franchi une étape majeure en astrophysique expérimentale en réussissant à reproduire en laboratoire les conditions extrêmes des jets cosmiques énergétiques. Cette prouesse a été réalisée grâce à l'accélérateur Super Proton Synchrotron (SPS) du CERN, à Genève. L'objectif était de générer des « boules de feu » de plasma pour élucider un mystère cosmique de longue date : la disparition inexpliquée des rayons gamma de haute énergie traversant l'espace intergalactique. Cette recherche fondamentale, publiée le 3 novembre 2025 dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), établit un pont essentiel entre la cosmologie théorique et l'expérimentation terrestre concrète.

L'étude portait spécifiquement sur les blazars, des galaxies abritant des trous noirs supermassifs qui émettent de puissants faisceaux de rayonnement et de particules se dirigeant vers la Terre à des vitesses proches de celle de la lumière. Ces jets produisent des rayons gamma intenses de l'ordre du téraélectronvolt (TeV). En théorie, pendant leur voyage spatial, ces rayons devraient interagir avec la lumière de fond, donnant naissance à des paires électron-positron. Ces paires sont censées, à leur tour, générer une émission secondaire de rayons gamma de plus faible énergie en diffusant sur le fond diffus cosmologique. Or, les instruments spatiaux, notamment le satellite Fermi, observent systématiquement un déficit de cette émission secondaire prédite, posant une énigme persistante aux astrophysiciens.

Deux grandes hypothèses tentaient jusqu'à présent d'expliquer ce manque. La première suggérait que des champs magnétiques faibles imprègnent le milieu intergalactique, déviant subtilement les paires de particules. La seconde postulait que les faisceaux eux-mêmes deviennent instables en traversant le matériau cosmique raréfié, créant des champs magnétiques auto-renforçants qui dissipent l'énergie. L'équipe de recherche, fruit d'une collaboration entre l'Université d'Oxford et la Central Laser Facility (CLF) du STFC, a utilisé l'installation HiRadMat du CERN pour tester directement ces scénarios. Ils ont modélisé la propagation d'une cascade induite par un blazar à travers un plasma intergalactique en générant des paires électron-positron via le SPS et en les canalisant à travers un plasma ambiant d'un mètre de long.

Les mesures expérimentales ont livré un résultat sans ambiguïté : le faisceau de paires est resté remarquablement étroit et presque parallèle. Il n'a montré que des signes minimes d'instabilité disruptive ou de champs magnétiques auto-générés. Cette observation cruciale indique fortement que les instabilités faisceau-plasma ne sont pas la cause principale de la disparition des rayons gamma de l'ordre du GeV. Par conséquent, cette découverte apporte un soutien empirique substantiel à l'hypothèse alternative impliquant des champs magnétiques externes. Le Professeur Gianluca Gregori de l'Université d'Oxford, chercheur principal, a souligné que ces efforts en laboratoire permettent de relier efficacement la théorie abstraite à l'observation concrète, améliorant ainsi notre compréhension des phénomènes astrophysiques lointains.

L'implication centrale de ce résultat est un fort plébiscite en faveur de l'existence d'un champ magnétique intergalactique (CMI) omniprésent, potentiellement une relique ancienne datant des premiers instants de l'univers. Ce dénouement déplace l'axe de la recherche scientifique : il ne s'agit plus seulement d'expliquer les rayons gamma manquants, mais de comprendre l'origine même de ce magnétisme cosmique. La stabilité observée lors de l'expérience en laboratoire, qui implique l'existence d'un échafaudage magnétique externe, oblige désormais les scientifiques à rechercher la source initiale de ce champ, considérant cette structure cosmique comme un indice profond sur les conditions initiales de l'univers.